高速铁路隧道工程洞口区域地基加固技术研究

贾晓龙

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

0 引言

洞口是整个隧道工程的入口，是隧道工程中最易受到地质灾害和环境影响的区域，如出现地面沉降、岩体裂隙、土层不稳定等问题，都会对隧道的稳定性造成不良影响，因此对隧道洞口区域地基进行加固处理，是隧道工程中至关重要的一项工作，具有提高隧道口的承载能力和稳定性的作用。因此，本文对高速铁路隧道工程洞口区域地基加固技术进行研究，为高速铁路工程实践提供更加可靠的技术支持。

1 工程概况

案例工程为高速铁路隧道工程洞口区域的地基加固工程。该隧道位于一条山区线路上，隧道设计类型为双线隧道，隧道总长约10.9km，设计列车通过速度为360km/h。该隧道为拱形洞口，高度为22.5m，宽度为29m。隧道洞口区域地表覆盖Q4al+1 粉质黏土，厚度约4.5～6.5m，层理不明显，颜色呈现黄褐色，韧性中等，含石英、砂砾、姜石等，粉质黏土以下为花岗片麻岩，质地较为坚硬[1]。此次工程洞口区域的地基加固面积为2000m2左右，洞口区域地表下2.5m 处为地下水位，地表土体遇水后十分软弱，该区域土体的塑限、液限和塑性指数分别为24.8%、38.8%和14.0%。

加固施工之前，该隧道洞口区域地基存两大问题：其一，由于该隧道建设地区地质条件复杂，如岩石、土层、地下水位等变化，导致地基稳定性降低、隧道洞口的结构变形；其二，隧道洞口区域地下水位较高，如果不进行地基加固，可能会引发洞口周边土体流失或坍塌，进而导致洞口塌陷。

2 隧道工程洞口区域地基加固施工工艺流程

高速铁路隧道工程洞口区域地基加固施工工艺流程包括以下6个步骤，具体如图1所示。

图1 地基加固施工工艺流程

（1）地质勘察：需对洞口区域的地质情况进行勘察，确定土层结构和性质、岩体裂隙等信息，并根据地质勘察的结果，设计最适合的地基加固方案。

（2）地面准备：清理洞口区域的杂物和泥沙等不良物质，确保施工场地平整。

（3）灌注桩钻孔施工：根据设计方案，进行灌注桩钻孔施工，为注浆施工奠定基础。

（4）高压旋喷注浆：在灌注桩钻孔施工完成后进行注浆，注浆可以加固土层，增加土层的强度和稳定性。

（5）桩头锯齿处理：对于钻孔灌注桩，需对桩头进行锯齿处理，增加桩体与土体的摩擦力，提高加固效果。

（6）加固养护：定期进行检查维护，确保隧道口区域地基加固的稳定性。

需要注意，洞口区域地基加固的具体实施步骤，需根据不同的地质情况或工程要求进行选择和调整，以确保加固效果和施工安全[2]。

3 隧道工程洞口区域地基加固技术要点

3.1 钻孔施工

钻孔是隧道口区域地基加固施工中非常重要的一个环节，通过提供适合的孔径和深度，为高压旋喷注浆的加固施工提供基础。该工程施工面积在2000m2左右，实际施工过程工作量较大，因此采用全轮驱动底盘、较为轻便和易挪动的高气压环型潜孔钻机，型号为T-150,钻头直径254mm，最大钻孔深度50m，间距为1.5m×1.5m梅花型布置，具体施工布置图如图2所示。

图2 施工布置图

进行钻孔施工时，首先应结合实际岩层的孔隙大小和分布密度及浆液粘聚力，进行浆液扩散半径计算，计算公式如式（1）所示：

式中：r——浆液的扩散半径，m；

z——常数，取值范围为0.6～0.8；

ds——浆液的扩散系数，m2/s；

t——时间，s。

进行浆液扩散半径计算的主要目的是为了确定注浆钻孔时浆液的扩散范围，从而合理控制注浆的位置和孔位数量[3]。为防止钻孔施工时出现方向偏差，应进行钻孔精度计算，计算公式如式（2）所示：

式中：Z——钻孔位置精度；

Xi、Yi和Zi——分别为钻孔位置的坐标轴的X、Y和Z方向偏差系数。

钻孔施工过程还需确定钻孔的直径，以保证钻孔施工的质量和进度，钻孔直径的计算公式如式（3）所示：

式中：D——钻孔直径，m；

R——钻孔半径，m；

Q——钻进排土量，m3；

U——土壤的单位体积重量，kg/m³；

N——钻头每分钟转速，r/min。

此外，在进行钻孔施工时，需及时排出岩土屑石，保持钻孔机的清洁，确保地基加固的施工进程。通过钻孔施工可以有效去除软土、泥岩和松散地层等不稳定的土层，提高地基的承载力和稳定性，为下一步的注浆施工奠定基础。

3.2 旋喷注浆量确定及注浆浆液配制

高压旋喷注浆技术是隧道工程洞口区域地基加固施工中最常用的一种技术，利用高压注浆机将水泥浆料、砂浆和其他添加剂注入地下，形成一定直径和长度的注浆桩，改善土壤和岩石的力学性质，增加地基的承载力和抗沉降能力。在使用高压旋喷注浆技术进行地基加固施工时，对注浆量的控制尤为重要。首先，设注浆压力为P，计算公式如式（4）所示：

式中：hj——注浆点以上土的厚度，m；

fj——地层性质系数，取值范围为0.9～2.5；

yj——注浆点上覆土层重度，kN/m3；

ρ——与土层性质有关的系数，取值范围为0.6～1.6；

h——注浆段高度，m；

mi——桩底桩侧注浆每加深1m 容许增加压力值，kPa/m。

应根据注浆压力将旋喷注浆量控制在一定范围内，注浆压力越高，所需的注浆量和浆液浓度就越大，隧道地基的加固效果就越好，具体关系曲线如图3所示。

图3 注浆压力与注浆量之间的关系曲线图

在基于一定的压力控制后，采用体积法计算出旋喷注浆量，计算公式如式（5）所示：

式中：Q——注浆浆量，m；

De——旋喷体直径，m；

a——损失系数，取值范围为0.15～0.25；

h——旋喷长度，m；

k——填充率，取值范围为0.65～0.85；

β——折减系数，取值范围为0.7～1.2。

在注浆过程中，需要确保浆液能够均匀覆盖孔壁，并且充分填充空隙，保证注浆桩的密实性。进行注浆浆液的配制时，应尽量去除灰尘、油脂、污渍等杂质，保证配制容器的干燥、平整与清洁；其次，注浆浆液采用标号P·O32.5的国标硅酸盐水泥，流动性好，有利于浆液向缝隙扩散，注浆浆液的配比见表1。

表1 注浆浆液配比

需要注意，注浆浆液须在2h内使用，且必须一次性使用完毕，否则时间过长会导致浆液凝固而无法使用。注浆浆液的使用温度应在5～30℃之间，当温度过低时，浆液的初凝时间会延长，使得浆液的成型时间变长，对施工进度产生影响；而在高温环境下，浆液的流动性和黏度会发生变化，可能会导致加固效果不好。可利用宾汉浆体流动方程测试配置浆液的流变性，设τ为拉剪强度，计算公式如式（6）所示：

式中：τ1——冲击韧性，Pa；

η——塑性粘度，Pa/s；

注浆施工后需等待2～3d 时间，进行注浆材料的固化，在此过程中，注浆材料中的水分逐渐蒸发，同时材料中的化学物质逐渐反应生成更为稳定的化合物，从而使加固材料变得更加坚固和耐用[4]。此外，为保证浆液的加固效果，可在注浆施工前进行小范围试验，并根据试验结果对施工情况进行及时调整。

3.3 桩头锯齿处理

桩头锯齿处理的目的是提高注浆桩的灌浆质量和灌浆密实度，提升注浆桩体的承载能力和抗倾倒能力，进一步增强桩体的整体力学性能，但须遵从具体的处理步骤。

（1）对桩身进行准备工作，包括清理桩身表面的泥土和杂物，对桩身进行检查，确认桩身没有明显的损伤。

（2）使用凿子或电锯在桩头处进行锯齿处理，使桩身表面产生一定的粗糙度，增加其表面的摩擦系数，摩擦系数计算公式如式（7）所示。

式中：μ——摩擦系数；

τ——桩身表面与土壤间的剪应力；

σ——垂直于桩身表面的有效应力。

（3）当桩身表面产生一定的粗糙度后，喷涂聚合物乳液附着剂提高桩头与土壤之间的黏附力，当桩头与土壤之间的黏附力越大，桩在承受荷载或外力作用时的变形就越小，加固效果与稳定性就越好。桩头与土壤之间的粘附力计算公式如式（8）所示：

式中：F——桩头与土壤之间的粘附力，N；

QS——土壤与桩身表面的黏着力，Pa；

AS——桩身表面与土壤接触的面积，m²。

通过桩头锯齿处理，可以使桩身与土体形成更多的摩擦力，提高桩体的抗剪强度和抗拔能力，增加整个地基的稳定性和承载能力[5]。在地基加固工程中，桩头锯齿处理是较为重要的环节，能够有效地提高地基加固效果，保证隧道工程的安全性。

3.4 加固养护

（1）定期巡视：维护人员定期巡视隧道口区域地基加固情况，及时发现和处理可能存在的问题，如果该地区有较强的地震活动或者洪水等灾害，应增加巡视频率。

（2）清洁维护：须及时清理积水、杂草等，保持地基加固区域的清洁，防止对地基加固材料的腐蚀和损坏。

（3）检查维修：定期对加固区域进行检查和维修，查看加固材料是否出现老化、开裂、松动等问题。

（4）防止外力破坏：维护人员可在隧道洞口区域周围设置路障或护栏，防止车辆和行人损坏地基加固材料。

（5）做好记录：对隧道口区域地基加固的维护进行详细记录，包括巡视时间、维护情况、维护人员等，便于日后进行追溯和管理。

后期的地基加固养护工作是非常重要的，对确保铁路运行安全、延长地基使用寿命、降低维护成本和提高铁路运行效率具有重要意义。

经过以上环节的加固施工，该隧道洞口区域的地基稳定性及承载力得到显著改善。加固之前，洞口区域的地面沉降量为13mm，隧道洞口区域的极限承载力为200kN/m²；加固后，地面沉降量变为5mm，隧道洞口区域的极限承载力达到400kN/m²。

4 结束语

本文以某高速铁路隧道工程洞口区域地基加固工程为例，详细介绍地基加固工程的工艺流程，从钻孔、旋喷注浆量确定、桩头锯齿处理以及后期加固养护等环节，探究了地基加固技术在实际隧道工程洞口区域加固工程中的应用，对现场沉降量及承载力的测量结果表明，以上技术的应用，提高了隧道洞口区域地基的稳定性和承载能力。后续还需对隧道工程洞口区域地基加固技术作进一步研究，应以精准、环保、可持续发展、预防性和规范化为目标，逐步提高隧道工程的安全性、可靠性和可持续性。